廣東省水資源配置工程隧洞施工風險及對策研究

陽晃林,姜 燕,李志云,張慶艷,張婉吟

(1.廣東省水利水電技術中心，廣州 510635；2.廣東省水利水電科學研究院，廣州 510635；3.廣東省巖土工程技術研究中心，廣州 510635)

1 概述

為破解廣東水資源時空分布不均問題，廣東省委、省政府積極部署推動建設一批打基礎、管長遠、惠民生的重大水資源配置工程，將構建水資源時空分布新格局，推進水資源集約安全利用，助推廣東高質量發(fā)展。目前在建的有珠江三角洲水資源配置工程、韓江榕江練江水系連通工程、環(huán)北部灣廣東水資源配置工程、引韓濟饒供水工程、廣州北江引水工程等，是廣東有史以來同步推進重大水資源配置項目最多、投資規(guī)模最大的時期。

水資源配置工程涉及水利工程、巖土工程、地下隧洞及結構工程、材料工程等多學科多專業(yè)，工程重要且難度大[1]，多項關鍵技術沒有規(guī)范標準可依，類似工程經(jīng)驗尚不足，若發(fā)生事故，對社會、經(jīng)濟及人民生命財產(chǎn)產(chǎn)生不可估量的損失，開展施工風險評估和對策研究是很有必要的。

目前，在建的5宗重大水資源配置工程隧洞總長達235 km，埋置深、穿越地層復雜、經(jīng)過的城鎮(zhèn)區(qū)域多，隧洞結構型式復雜，承受內外水壓力大，面臨很大的施工風險。挖掘工藝有盾構法、TBM法、鉆爆法等多種形式，具有施工復雜，開挖量大等特點；隧洞豎井面臨直徑大、開挖深度深、地質條件復雜、周邊建筑物密集等難題。其中，隧洞鉆爆法施工經(jīng)過不良地質帶時，易發(fā)生涌水、涌泥、塌方等問題[2-5]；隧洞豎井地質條件復雜、周邊建筑物密集，易出現(xiàn)滲水和引起周邊沉降等問題，需特別引起重視[6-7]。由于此類大型深埋長距離調水工程可供借鑒的經(jīng)驗少，工程整體難度大，對工程建設期間所存在的施工風險進行識別、評估，并及時研究對策，提出合理建議，為保障工程安全，順利推進工程建設提供參考。

2 隧洞施工風險案例

2.1 鉆爆法風險案例

2.1.1工程概況

某隧洞工程沿線山體坡度為15°～25°，巖體風化深厚，植被茂密，自然山體總體穩(wěn)定。隧洞埋深在溝谷部位為30～60 m，在山脊部位為60～200 m。地下水相對豐富，主要接受大氣降水補給，且與河水聯(lián)系密切。綜合判定圍巖等級多為Ⅲ、Ⅳ級圍巖，局部為Ⅳ、Ⅴ圍巖。鉆爆法隧洞施工穿越富水斷層等復雜地質體時，地層條件多變，鉆爆法施工存在一定涌水、涌泥、塌方等風險。

2.1.2出現(xiàn)的問題

2020年7月，2#、3#施工主洞貫通段K2+446-K2+478樁號，準備進行中臺階施工時，現(xiàn)場發(fā)現(xiàn)隧洞左側出現(xiàn)拉裂縫、拱頂局部沉降、開裂。同時伴隨有地下水和泥漿流出。此處隧洞監(jiān)測變形不收斂，左側拱腰位置處向洞內變形凸起明顯，不及時處理隧洞有發(fā)生垮塌的風險(見圖1)。

圖1 搶險現(xiàn)場示意

該段穿越斷層破碎帶，圍巖破碎，裂縫發(fā)育，為強匯水通道，且該處地層有細黃砂，地層穩(wěn)定性極差，在此富水軟弱地層錨桿加固未能形成有效的錨固力，且隧洞支護系統(tǒng)不閉環(huán)，導致發(fā)生地層擠壓大變形。

2.1.3搶險措施及對策

1) 匯報上級單位，現(xiàn)場成立臨時辦公室對現(xiàn)場情況進行了討論。

2) 組織人員、設備進行應急搶險處理，立即對收斂部位采取石渣回填反壓[8-9]，并加強監(jiān)測，防止次生災害發(fā)生(見圖2)。

圖2 隧洞拱腰處擠壓大變形及回填反壓處理示意

3) 現(xiàn)場及時抽排地面積水，調配抽水設備，保證電力供應，安排專人對積水進行抽排處理。

4) 對隧洞周邊巖體進行注漿加固，待隧洞注漿固結后，在監(jiān)測變形穩(wěn)定的前提下，拆除已變形的鋼拱架，安裝新鋼拱架，相鄰鋼拱架之間采用槽鋼鏈接，底部架設橫向鋼支撐，與供部邊墻拱架形成封閉支護系統(tǒng)[10-11]。

5) 加固處理時做好隧洞內和洞頂以及前后一定范圍的監(jiān)測工作，監(jiān)理旁站監(jiān)督。

6) 吸取經(jīng)驗教訓，今后遭遇沖溝斷層前，應做好地質勘探和超前預報工作，加強支護措施。

經(jīng)過以上應對措施，該鉆爆隧洞施工引起的涌水塌方問題得到了解決，未發(fā)生人員傷亡事故。

2.2 豎井風險案例

2.2.1工程概況

某隧洞工作豎井直徑為35.9 m，開挖深度為58.2 m，自上而下依次為填土層、淤泥質粉砂層、淤泥層、細砂、全強風化泥巖、弱風化泥巖等。周邊發(fā)育4條斷層，地表建筑密集，為工業(yè)園區(qū)。

2.2.2出現(xiàn)的問題

豎井于2020年6月完成內襯結構施工，在開挖過程中受斷層破碎帶發(fā)育影響，豎井井壁發(fā)現(xiàn)3處滲漏，水頭壓力約0.5 MPa，滲漏量為150 m3/h，滲漏點與井外的山體水系連通形成滲漏水通道(見圖3)。

圖3 豎井井壁滲漏情況示意

2020年11月初，豎井基坑周邊建筑物出現(xiàn)裂縫，建筑物周邊地表出現(xiàn)不均勻沉降，出現(xiàn)裂縫房屋均分布在距豎井為70～300 m的直線范圍內(見圖4)。

基坑周邊地表垂直位移測點監(jiān)測結果見圖5，基坑周邊地表垂直位移累計在32～92 mm之間，均已超設計控制值，基坑底板開挖以來，基坑滲水量增大，自10月16日起垂直位移沉降速率加快。豎井滲水引起的地下水下降，周邊建筑物地基承載力減弱，地表建筑物出現(xiàn)裂縫。

圖4 豎井周邊開裂建筑物分布示意

圖5 豎井周邊垂直位移監(jiān)測曲線示意

2.2.3搶險措施及對策

1) 補充勘探，補充工作井周邊地質鉆孔，分析坑底涌水和深層地下水的連通情況，查明地下水來源和地下水徑流路徑。

2) 基坑底板焊接法蘭盤以及球閥采取臨時關閉措施，同時對工作井有沉降的方向采取回灌井施工，對淺層水進行補給；對井筒內部及周邊進行注漿封堵加固。

3) 井內注漿堵漏

① 引流管注漿

根據(jù)工作井滲漏情況，關閉地連墻13#～14#槽段其中一根引流管球閥，其他引流管作為泄壓管和觀察孔，注入水泥漿，當泄壓孔有水泥漿液流出時，更換水泥-水玻璃注入，同時關閉引流管泄壓球閥。

待壓力達到后，應打開觀察管球閥觀察其他漏水點堵漏效果，若仍出現(xiàn)滲漏情況，應在漏水點附近采用水鉆鉆孔注漿。

② 井內水鉆取孔注漿堵漏

采用Φ40 mm水鉆在內襯滲漏點附近鉆孔，檢查堵漏效果，地下連續(xù)墻厚度為1.2 m，底部內襯墻厚度為1.5 m，鉆孔深度打穿地連墻入巖5～10 cm即2.8 m，若出現(xiàn)滲漏水情況插入Φ32 mm鍍鋅管注入雙液漿，在鍍鋅管外部安裝球閥。

注漿完成后，開孔檢查確定滲漏水點不在有水流出后，拔出注漿管，人工向孔內塞入C50，W12自密實混凝土，過程中埋入1根堵漏針頭，待自密實混凝土完全凝固后，通過預埋針頭向孔內注入環(huán)氧樹脂。

4) 井外帷幕灌漿

待井內堵漏注漿完成后，立即開始井外帷幕防滲灌漿方式，在每個滲漏水外置布置9根灌漿孔，灌漿孔深度為53.7 m(結構底板以下1 m至地面)，每個漏水點布置孔2排梅花型注漿孔，共計53個，間距為0.5 m，排距為1.0 m，采用單孔注漿方式，注漿方法采用分段注漿法，注漿漿液采用普通水泥漿，灌漿方法采用分段灌漿法，灌漿采用循環(huán)式灌漿。

5) 同時繼續(xù)基坑監(jiān)測和周邊房屋監(jiān)測。密切關注工作井各測點鋼筋計、土壓力計、水壓測壓管、測斜管等傳感器是否有異常變化，必要時繼續(xù)增加監(jiān)測點。

6) 施工單位、監(jiān)測單位加強對現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)進行詳細分析，及時對地表沉降、地下水、鋼筋應力等監(jiān)測指標數(shù)據(jù)進行回歸性分析、總結。

7) 施工單位做好隱患房屋臨時加固措施，每日派專人對受影響范圍開展維穩(wěn)和巡查工作，及時了解房屋業(yè)主訴求，消除影響，做好維穩(wěn)工作，同時每日對房屋進行排查記錄，發(fā)現(xiàn)突發(fā)情況及時匯報。

經(jīng)過以上措施后，豎井滲水和地表沉降得到控制，隧道盾構施工正常推進。

3 隧洞施工風險及對策

水資源配置工程隧洞開挖還存在諸多風險，通過對廣東地區(qū)在建的隧洞水利工程現(xiàn)場調研、總結經(jīng)驗，得到以下隧洞施工風險及對策。

3.1 鉆爆法施工風險及對策

1) 隧洞施工通過較差地質區(qū)域時，易出現(xiàn)涌水、涌泥等情況，需做好超前地質預報工作，及時進行圍巖類別判定，做好現(xiàn)場施工的地質會審，提出應對不良地質的機制與措施。

2) 加強支洞與主洞交叉處和圍巖較差段洞頂及洞身的安全監(jiān)測，特別注意收斂變形、滲水和表面不良現(xiàn)象的巡視等，確保預警信息的通達，完善預警機制。

3) 洞臉高邊坡易出現(xiàn)失穩(wěn)情況，應分設馬道、逐級放坡開挖，并做好邊坡支護、截水及排水措施，確保洞臉邊坡的穩(wěn)定性。對于高邊坡支護設計方案及開挖施工方案建議進行專項論證，保障邊坡安全。

4) 拱頂混凝土澆筑易出現(xiàn)密實度不夠的現(xiàn)象，應做好二次注漿、拱頂混凝土密實度檢測。

5) 需做好炸藥管控，隧洞底部的清渣，拱頂錨桿的注漿質量控制等。

6) 制定隧洞施工應急預案，儲備搶險材料，保障洞內施工用電、應急物資供應充足。

7) 隧洞洞口設置完善的防洪排澇系統(tǒng)，洞內分段抽排水，及時堵漏，避免洞內尤其是掌子面附近積水[12]。

8) 檢測評估洞內爆破產(chǎn)生的有害氣體對施工人員人身安全的影響，采用吸風模式，加強排煙通風措施。

3.2 TBM法施工風險及對策

1) 對于穿越水庫、魚塘等復雜地質段，易出現(xiàn)滲水風險，應通過開展專項設計及施工方案論證，選擇安全合理處理方案。

2) 刀盤開艙檢修時須做好防護措施。

3) 做好洞口及隧道內的防排水系統(tǒng)，避免隧道被淹。

3.3 盾構法施工風險及對策

1) 盾構法施工段在不良地質段存在開挖面失穩(wěn)風險，應確保開挖面穩(wěn)定，針對不同地層合理優(yōu)化掘進參數(shù)，在富水斷層等不良地質高風險地段提前做好開倉檢查刀盤工況等工作[13]。

2) 做好同步注漿、管片安裝質量和油脂注入量，減少對尾刷的硬磨損，延長尾刷壽命，降低涌水風險。

3) 檢查復核始發(fā)反力架鎖死裝置與支撐反力，同時采用額外加鋼筋焊接等措施保障連接點安全。

4) 盾構通過軟弱底層時，應加強監(jiān)測，密切關注監(jiān)測數(shù)據(jù)，異常數(shù)據(jù)應第一時間上報。

3.4 豎井施工風險及對策

1) 根據(jù)已有豎井的施工經(jīng)驗，并利用監(jiān)測數(shù)據(jù)指導施工，對施工方案進行優(yōu)化。

2) 加強豎井地下連續(xù)墻支護的防水、防滲措施。

3) 盾構/TBM出入洞口加固措施須形成連續(xù)有效的防滲帷幕。

4) 加強豎井滲水控制措施。

3.5 監(jiān)測與檢測的要求

1) 施工管理、監(jiān)理和檢測單位應特別重視關鍵部位的質量控制和旁站。

2) 及時報送監(jiān)測數(shù)據(jù)，增加現(xiàn)場監(jiān)控，完善預警機制，隨時了解施工質量和安全情況，保障施工安全。

3) 對關鍵點監(jiān)測數(shù)據(jù)繪制時間過程曲線，了解工程控制點的發(fā)展趨勢。

4) 施工單位、監(jiān)測單位加強對現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)進行詳細分析，及時對地表沉降、地下水、鋼筋應力等監(jiān)測指標數(shù)據(jù)進行回歸性分析、總結。

5) 做好工程影響區(qū)域內建(構)筑物安全鑒定，并做好定期監(jiān)測[14]。

3.6 其他

1) 現(xiàn)場事故處理應迅速及時，同時避免次生災害的發(fā)生。

2) 重大水資源配置工程工期緊、任務重，各段工程施工工期要做好合理安排，確保工程安全和質量。

3) 完善風險評估機制，加強風險管控，對風險進行有效的控制、規(guī)避，保證施工安全。

4 結語

除5宗在建項目外，廣東省也在加快推進粵東水資源優(yōu)化配置、深汕特別合作區(qū)供水、中珠江供水一體化等重大水資源配置工程前期工作。為保障大批在建和待建的重大水資源配置工程順利推進，確保工程施工安全是重中之重。各參建單位可以參考上述施工風險共性問題及應對措施，組織全面排查，形成施工風險隱患清單，加強管控、提前預警、及時處理，確保工程施工安全。